Đồ án Phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm,

quan hệ thống lò sấy ngô 15 Hình 1. 6. Lược đồ tổng quan hệ thống lò sấy ngô 16 Hình 1. 7. Xích tải ngang 18 Hình 1. 8. Xích tải ngang nghiêng 18 Hình 1. 9. Mô hình lò sấy 21 Hình 1. 10. Mô hình lò điện trở 28 Hình 1. 11. Đặc tính của lò nhiêt 29 Hình 1. 12. Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 30 Hình 1. 13. Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian 31 Hình 1. 14. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 34 Hình 1. 15. Cửa sổ làm việc phần mềm MATLAB 36 Hình 1. 16. Cửa sổ thư viện Simulink của MATLAB 37 Hình 1. 17. Cửa sổ giao diện làm việc trên Simulink 38 Hình 2. 1. Sơ đồ khối của hệ thống 39 Hình 2. 2. Hệ thống sấy 40 Hình 2. 3. Mô hình lò nhiệt 39 Hình 2. 4. Đặc tính của lò nhiệt 41 Hình 2. 5. Sơ đồ cấu trúc bộ PID 42 Hình 2. 6. Biểu diễn miền lấy tích phân 43 Hình 2. 7. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 45 Hình 2. 8. Xác định hệ số khuếch đại 46 Hình 2. 9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ của lò nhiệt 47 Hình 2. 10. Quá trình quá độ trong lò nhiệt 47 Hình 2. 11. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt dùng PID 47 Hình 2. 12. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 48 Hình 2. 13. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 49 Hình 2. 14. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt 49 Hình 2. 15. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 50 Hình 2. 16. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt sau khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 51 Hình 2. 17. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ 51 Hình 2. 18. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 52 Hình 2. 19 Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt sau khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt 53 Hình 2. 20. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt 54 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Số liệu chọn dây đốt để làm vỏ lò 24 Bảng 1. 2. Sự thay đổi thông số độc lập 35 TÓM TẮT Đề tài nêu phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm, hệ thống được thực hiện trên phần mềm mô phỏng Matlab qua đó khảo sát và đánh giá hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm. Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt với quá trình hiệu chỉnh của bộ điều khiển PID để ứng dụng thiết thực, phục vụ hiệu quả trong hệ thống điều khiển. Tuy nhiên có nhiều hạn chế trong việc ứng dụng và xây dựng mô hình hệ thống. Với đề tài này đã sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu và đánh giá và được ứng dụng rất nhiều và thiết thực trong việc học tập nghiên cứu cũng như trong sản xuất. ABSTRACT The topic of the system design method automatically adjusts the temperature of the drying of agricultural products, the system is implemented on Matlab simulation software through which to monitor and evaluate the temperature control system of agricultural drying food. Throughout the study, design, calculation and simulation of the furnace temperature control system with the calibration process of the PID controller for practical, effective service in the control system. However, there are many limitations in the application and modeling of the system. This subject has used many methods to study and evaluate and is applied a lot and practical in studying research as well as in production. MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, sự đa dạng của các linh kiện điện tử số, các thiết bị điều khiển tự động, các công nghệ cũ đang dần dần được thay thế bằng các công nghệ hiện đại.Với sự bùng nổ của những tiến bộ khoa học-kĩ thuật trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến sự biến đổi sâu sắc cả về lý thuyết lẫn thực tế của các lĩnh vực điều khiển lập trình vi điều khiển, hệ thống tự động điều khiển, vi xử lý, PLCđang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, các dây chuyền sản xuất. Hệ thống điều khiển tự động cho các hệ thống dây chuyền trong các nhà máy công nghiệp không thể thiếu được. Nó quyết định rất nhiều đến sự phát triển của xã hội như trong công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá để từng bước bắt kịp sự phát triển trong khu vực và thế giới về mọi mặt Kinh tế và Xã hội. Do đó, việc tự động hoá quá trình sấy công nghiệp là sự lựa chọn hàng đầu nhằm góp phần bảo quản nguyên liệu, tăng năng suất tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo an toàn thực phẩm, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường. Kinh tế xã hội phát triển nhu cầu đối với các dịch vụ hàng hóa trong nước cũng như xuất khẩu ngày càng tăng, đòi hỏi về chất lượng cao hơn và mặt hàng nông sản (Ngô, gạo, cà phê, ca cao, hồ tiêu) cũng là một trong các mặt hàng trong số đó. Vì vậy, các nhà máy chế biến không còn là bán tự động mà phải được tự động hóa hoàn toàn mới đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc đầu tiên là thay thế hệ thống điều khiển có thể lập trình được nhằm làm giảm sức lao động, cho mạch điều khiển của hệ thống gọn nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơn và quan trọng nhất là dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển khi có yêu cầu. Từ đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm” Mục tiêu của đề tài là em xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để khảo sát, đánh giá, nghiên cứu, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy nông sản thực phẩm. Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã tìm hiểu, trao đổi và tổng hợp các kiến thức mà mình đã được học trong thời gian được học, cũng như tham khảo các tài liệu liên quan khác để hoàn thành đề tài được giao. Cấu trúc của đồ án gồm hai chương, mỗi chương em sẽ trình bày cụ thể các vấn đề nghiên cứu khác nhau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm Chương 2: Thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống tự động điều chỉnh lò sấy nông sản thực phẩm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển và Tự động hóa , đặc biệt là thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp được thuận lợi. Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ an, ngày tháng 5 năm 2018 Người thực hiện Bùi Thị Trinh CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM . Giới thiệu chung về lò sấy nông sản thực phẩm Các sản phẩm nông sản của nước ta hiện nay đang rất được quan tâm và luôn là trang nóng trên các tin tức đặc biệt là lúa gạo, cà phê, ngô, khoai, sắn, các loại hoa quả sấy sản lượng hàng năm thu hoạch về rất lớn, sau khi thu về các nhà máy chế biến đã thực hiện chế biến nông sản để đưa ra thị trường phục vụ cho đời sống hằng ngày, để đưa sản phẩm có chất lượng cao thì khâu sấy nông sản là khâu quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm này có đạt chuẩn không. Sấy nông sản phải điều chỉnh nhiệt độ thế nào cho phù hợp để sản phẩm đạt tiêu chuẩn. Sấy khô thực phẩm bằng các lò sấy nông sản là quá trình sấy khô thực phẩm bằng cách sử dụng công nghệ khí nóng đối lưu tuần hoàn, rút nước từ từ trong thực phẩm cho đến khi khô hoàn toàn. Sấy khô là một trong những phương pháp làm khô thực phẩm để giúp vận chuyển dễ dàng và bảo quản sản phẩm được lâu hơn. Một số hình ảnh về thiết bị sấy và lò sấy. Hình 1. 1. Hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm Hình 1. 2. Hệ thống sấy cơm dừa tầng sôi Hình 1. 3. Hệ thống sâý nông sản thực phẩm dạng tháp Hình 1. 4. Máy sấy thùng quay, sấy liên tục Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy sấy khô nông sản khác nhau phổ biến nhất là các máy sấy khô nông sản bằng khí nóng đối lưu tuần hoàn, tiếp nữa là các máy ứng dụng công nghệ sấy vi sóng, công nghệ hơi nước bão hòa, ứng dụng hồng ngoại Ưu điểm của các loại máy sấy thực phẩm công nghiệp: Bảo toàn nguyên vẹn màu sắc và hương vị nguyên liệu: hầu như nguyên vẹn so với sản phẩm tươi sống trước sấy. Thời gian cho một mẻ sấy ngắn: hệ thống hút ẩm, rút nước ra khỏi sản phẩm nhanh, hạn chế sự thất thoát thoát nhiệt. Kích thước: lớn, phù hợp cho quy mô sấy công nghiệp, mỗi mẻ sấy khoảng 500kg- 1 tấn nguyên liệu tươi sống. Có thể được thiết kế linh hoạt: tùy theo nhu cầu sử dụng và đặc trưng sản phẩm của khách hàng. Giá thành hợp lý: giúp làm giảm thiểu chi phí giá vốn cho sản phẩm sấy. Sử dụng được cho đa dạng các loại thực phẩm: như nông sản, thủy hải sản, dược liệu, cho đến các loại vật liệu cần sấy ở nhiệt độ lớn như sấy sơn, sấy keo, sấy khuôn, gỗ Sử dụng công nghệ cao: giúp giảm thiểu mức điện năng tiêu thụ Khay sấy: đa dạng, có thể dễ dàng thay đổi, điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng của khách hàng Phạm vi ứng dụng của các loại máy sấy thực phẩm Hiện nay, hầu như tất cả các loại nông sản đều có thể áp dụng quy trình sấy công nghiệp để cho ra sản phẩm sấy khô đạt tiêu chuẩn cho ra thị trường. Không dừng lại ở nông sản, các sản phẩm thủy hải sản cũng có thể được sấy bằng hệ thống các máy sấy nông sản kể trên. Ngoài ra, phạm vi ứng dụng của chúng cũng vô cùng đa dạng, ví như: Các sản phẩm nông sản sấy khô có thể kể đến như: cà phê sấy, cà rốt sấy, táo tàu sấy, ớt sấy, nấm sấy, thịt gấc sấy Các loại ngũ cốc dạng hạt: thóc lúa, gạo, ngô và các loại đậu như đậu đen, đậu xanh, đậu nành Các nông sản dạng lát mỏng: như khoai mỳ, sắn, khoai lang, khoai tây Thủy hải sản như: tôm khô, cá khô, mực khô Thức ăn cho gia súc: cám, bột các loại. Sản phẩm dược liệu, làm thuốc: hoa hồng, hoa nhài, và các vị thuốc khác. Các sản phẩm phục vụ ngành công nghiệp chế biến sản xuất: như bột mỳ, bột sữa, bột ngũ cốc Ngoài ra còn rất nhiều loại sản phẩm đặc thù khác cũng được sấy khô: nhằm giúp bảo quản chúng được lâu hơn. 1.2. Tổng quan về sản phẩm nông sản và quá trình sấy nông sản Hiện nay, ở nước ta có nhiều khu vực có diện tích đất chủ yếu là đồi núi do đó phần lớn người nông dân sử dụng những vùng đồi này để trồng Ngô, sắn... Hàng năm vào vụ thu hoạch của những người nông dân lượng ngô được thu về tới hàng triệu tấn, ngô thu về tồn tại ở dạng bắp sau đó về vẽ (số lượng ít) hoặc dùng máy để tách lõi với hạt ra lúc này ngô chưa được khô, chưa đạt tiêu chuẩn độ ẩm, không làm khô kịp thời thì ngô có thể bị mốc làm ảnh hưởng tới sức khỏe của người hoặc gia súc, gia cầm sử dụng. Để làm khô các hạt ngô sau khi tách khỏi lõi thường sử dụng các biện pháp sau: Phương pháp thủ công là phơi. + Nhược điểm phương pháp này: Phụ thuộc vào thời tiết. Số lượng không lớn. Độ ẩm của ngô không đều. Phương pháp bán thủ công: Phương pháp này sử dụng lò sấy thủ công kết hợp với con người. + Mô tả sơ qua về lò sấy bán tự động này, nhiệt để sấy được đốt từ bên ngoài bằng nhiên liệu là lõi ngô và được thổi vào bên trong lò sấy nhờ động cơ quạt. + Lò sấy bên trên là sàn đổ ngô khi sấy quá trình đảo bằng sức người. Nếu lò cỡ lớn thì thực hiện một mẻ sấy là khoảng 15 tấn thời gian mất khoảng 120 phút. + Đóng mở các động cơ điện vẫn sử dụng là cầu dao, hoặc Áp tô mát. + Ưu điểm phương pháp này. Vốn đầu tư ban đầu để xây dựng lò sấy ít. Quy trình sấy đơn giản. + Nhược điểm. Tốn nhiều công sức. Độ ẩm của ngô không đều. Thời gian sấy lâu. Số lượng ít. Do yêu cầu đòi hỏi về độ ẩm tiêu chuẩn của ngô sau khi phơi hoặc sấy và để khắc phục những nhược điểm của hai phương pháp trên, tôi xây dựng hệ thống lò sấy tự động điều khiển sấy để tạo nhiều hiệu quả, năng suất cho người sản xuất. + Ưu điểm của lò sấy tự động. Không tốn nhiều nhân công. Thời gian sấy nhanh. Số lượng lớn. Độ ẩm của ngô đều và đạt tiêu chuẩn. Có kho chứa ngô thành phẩm và ngô thu về. Hiện nay, cũng đã xuất hiện một số nhà máy sấy tự động nhưng các nhà máy này chưa chuẩn hóa quá trình hoạt động của các cơ cấu chấp hành và nhiệt độ của lò, hệ thống điều khiển còn gặp nhiều sự cố trong quá trình làm việc. Xuất phát từ các vấn đề này cũng như em tìm hiểu để xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy nhằm ổn định nhiệt, nâng cao chất lượng sản phẩm sấy đảm bảo tiêu chuẩn đầu vào nguyên liệu của các công đoạn sản xuất, chế biến. 1.2.1. Tổng quan hệ lò sấy nông sản Hình 1. 5. Mô hình tổng quan hệ thống lò sấy ngô 1.2.2. Sơ đồ thu ngô, tách ngô và sấy ngô Hình 1. 6. Lược đồ tổng quan hệ thống lò sấy ngô 1.2.3. Các giai đoạn trong quá trình thu ngô và tách Ngô, sấy ngô và các thông số khi sấy a. Giai đoạn thu ngô và tách ngô Khi ngô đã đến giai đoạn thu hoạch ngô được thu về ở dạng bắp sau đó được tách hạt và lõi Ngô ra nhờ các máy tách, Ngô hạt được chuyển đến các nhà máy để sấy khô ở giai đoạn này không nằm trong phạm vi của quy trình sấy. b. Giai đoạn chuyển ngô hạt lên các khoang chứa Ngô hạt được đổ xuống sàn và sử dụng các xích tải để kéo ngô đến gầu tải, từ gầu tải này ngô được đưa lên xích tải trên và kéo đổ vào các khoang chứa, bên phần khoang chứa được chia làm hai khoang. Khi khoang thứ nhất chưa báo đầy là mức cao “H” thì SL được cấp nguồn và mở nắp ngô được ưu tiên đổ vào khoang thứ nhất, nếu khoang thứ nhất báo đầy thì (SL) ở khoang thứ hai được cấp nguồn và mở nắp, ngô được đổ vào khoang thứ hai. c. Giai đoạn sấy Ngô Ngô được đưa về các khoang chứa khi đủ sản lượng sấy thì ta tiến hành sấy, Ngô được sấy liên hoàn cho đến khi đạt tiêu chuẩn độ ẩm. Khi bắt đầu thực hiện sấy ngô được xả ra từ khoang chứa thứ hai nhờ hệ thống xích tải, gầu tải Ngô được đưa vào lò sấy qua khoang nóng với nhiệt độ sấy (35 độ C) rồi qua khoang làm nguội Ngô, trong khi đi qua khoang nóng và khoang làm nguội, Ngô được đảo nhờ hệ thống cánh đảo trong lò sấy, ngô qua lò sấy được đưa về khoang chứa thứ ba nhờ hệ thống xích tải, gầu tải. Ngô ở khoang chứa 1 và khoang chứa 2 đã được sấy hết chu trình sấy đã thực hiện xong vòng sấy đầu tiên, tiếp tục vòng sấy tiếp theo lúc này ngô lại được xả ra từ khoang chứa thứ 3 và qua lò sấy đổ vào khoang chứa thứ 4 và chu trình sấy thực hiện liên hoàn như vậy cho tới khi hệ thống báo đủ tiêu chuẩn độ ẩm khi đó ngô được chuyển về khoang chứa thành phẩm. Khi Ngô ở khoang chứa 1 và khoang chứa 2 đã được xả hết để sấy thì ta có thể đưa ngô từ bên ngoài vào khoang chứa để tiếp tục sấy hoặc dự trữ. d. Giai đoạn xử lý mạt Ngô khi sấy Trong quá trình sấy lượng mạt ở ngô được bong ra ngoài rất nhiều do đó lượng mạt này phải được tách khỏi hạt xuất phát từ vấn đề đó nên lượng mạt phải được tách trong lúc sấy. Ở dàn sấy của lò đặt một hệ thống thổi mạt là động cơ quạt để thổi mạt và động cơ này hoạt động cùng với lò sấy. Ngô sau khi qua lò sấy đưa về các khoang chứa thì được hệ thống thổi mạt thổi hết mạt ra bên ngoài để đảm bảo môi trường không bị bụi lượng mạt thổi ra phải được đưa qua các ống dẫn đến nơi mà không gây ô nhiễm. 1.2.4. Phương án thiết kế tự động hoá dây truyền hệ thống sấy nông sản a. Giới thiệu sản phẩm Các sản phẩm truyền thống để sấy là cà phê, ngô, sắn... nhưng ở dây truyền lò sấy này chỉ thực hiện sấy là ngô. Ngô có hai loại. + Ngô giống. + Ngô sấy để chế biến. Với hai loại ngô này thì nhiệt độ sấy sẽ khác nhau do đó lò sấy này thực hiện sấy Ngô để chế biến nên nhiệt độ sấy của lò là 40 độ C – 80 độ C. Hình 1. 7. Xích tải ngang Giới thiệu phương pháp tính toán chọn công suất động cơ xích tải: Tính chọn công suất động cơ truyền động thiết bị vận tải liên tục thường theo công suất cản tĩnh. Chế độ quá độ không tính đến vì số lần đóng cắt ít, không ảnh hưởng đến chế độ tải của động cơ truyền động. Phụ tải của thiết bị vận tải liên tục thường ít thay đổi trong quá trình làm việc nên không cần thiết phải kiểm tra theo điều kiện phát nóng và quá tải. Trong điều kiện làm việc nặng nề của thiết bị, cần kiểm tra theo điều kiện mở máy. Sau đây là một phương pháp tính chọn công suất động cơ truyền động băng tải. Trên (Hình 1.3) cho thấy: Một lực bất kì theo phương thẳng đứng đặt trên mặt nghiêng, có thể phân thành hai thành phần. : vuông góc với mặt nghiêng : song song với mặt nghiêng Hình 1. 8. Xích tải ngang nghiêng Khi tính toán chọn công suất động cơ truyền động xích tải, thường tính theo các thành phần sau: Công suất P1 để dịch chuyển vật liệu. Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ. Công suất P3 để nâng tải (Nếu là xích tải nghiêng). Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu là: (1.1) Vì thành phần pháp tuyến: Tạo ra lực cản (ma sát) trong các ổ đỡ. (1.2) Trong đó: Góc nghiêngcủa băng tải L Chiều dài xích tải M Khối lượng vật liệu trên một mắt xích tải Hệ số tính tới lực cản khi dịch chuyển vật liệu =0,05 - Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu là: (1.3) Lực cản do các loại ma sát sinh ra khi xích tải chuyển động không tải sẽ là: (1.4) Trong đó: Hệ số tính đến lực cản khi không tải mb Khối lượng xích tải trên một mét chiều dài Công suất cần thiết để khắc phục lực cản ma sát (1.5) Lực cần thiết để nâng vật: (1.6) Trong biểu thức trên lấy dấu cộng khi biểu thức đi lên và lấy dấu trừ khi biểu thức đi xuống. Công suất nâng bằng: (1.7) Công thức tĩnh của sức tải: (1.8) Công suất động cơ truyền động xích tải được tính theo biểu thức sau: (1.9) Trong đó: hệ số dữ trữ về công suất (K3=1,2 ÷ 1,25 ) : Hiệu suất truyền động b. Gầu tải Động cơ gầu tải để kéo ngô lên khoang chứa và lò sấy Chức năng: Gầu tải đóng vai trò vận chuyển ngô từ xích tải lên các khoang chứa và lò sấy. Nó tạo nên tính liên tục của quá trình sản xuất. Gầu tải được truyền động bởi các động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua các cơ cấu truyền động. Tốc độ của gầu tải của từng công đoạn sản xuất khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật sản xuất và đảm bảo không xảy ra dồn ứ sản phẩm. Chiều cao của gầu tải H = 4m Tính chọn công suất, tốc độ động cơ: Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ gầu tải đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tuy nhiên động cơ gầu tải chỉ mang tải đều và làm việc chế độ dài hạn. Do đó ta chọn công suất động cơ P = 4.5 kw Hiệu suất = 0.85 Tốc độ n = 350 v/p c. Mô hình các cơ cấu lò sấy, lò đốt - Chức năng của lò sấy: Lò sấy có vai trò như là một buồng nhiệt để cho Ngô đi qua với nhiệt độ vừa đủ, làm cho ngô khô một cách từ từ đảm bảo được tiêu chuẩn độ ẩm cho phép. Phương pháp sấy kiểu tháp Hình 1. 9. Mô hình lò sấy kiểu tháp Mô tả lò sấy: Lò sấy hình tròn đường kính 3m. Lò có hai khoang chính là: Khoang nóng đây chính là khoang để thực hiện sấy Ngô và nhiệt độ sấy được lấy từ lò nhiệt nhờ động cơ quạt hút. Khoang lạnh là khoang làm nguội ngô sau khi đã qua khoang sấy. Gió để thổi làm nguội Ngô được lấy từ ngoài nhờ động cơ quạt. Bên trong lò sấy có các cánh đảo và đặt hai cảm biến (sensor) nhiệt độ để khống chế nhiệt độ khi sấy, nhiệt độ sấy là nhiệt độ gần với nhiệt độ của thiên nhiên khi trời nắng để ngô sấy không bị cháy. Nhiệt độ của lò: 40 – 80 độ c Trên đỉnh của lò đặt hai cảm biến báo mức, báo đầy là mức trên (H) và báo hết là mức dưới (L) để từ đó ta biết được lượng ngô đi vào lò sấy. Chức năng của các động cơ trong lò sấy: Động cơ M.212 là động cơ hút hơi nóng từ lò đốt vào lò sấy. Động cơ M.213 là động cơ thổi gió làm nguội ngô khi ngô đã qua khoang nóng. Động cơ M.214 là động cơ quay các cánh đảo ngô. Động cơ M.215 là động cơ quay xích tải để đưa ngô từ lò sấy ra gầu tải. Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang Hình 1. 10. Hệ thống sấy kiểu vỉ ngang Hệ thống thiết kế được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết họp với vi xử lý để điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự động toàn bộ hoạt động của lò được giám sát bằng hệ thống đèn báo. Hệ thống bao gồm: Bộ gia nhiệt Hệ thống thông gió và động cơ quạt Bộ điều khiển và báo hiệu 1.3. Mô hình toán học của lò sấy nông sản thực phẩm Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt, chính vì thế trong quá trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển sử dụng lò điện trở làm đối tượng thay thế. 1.3.1. giới thiệu chung về lò điện trở Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây nung). Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật cần gia nhiệt. 1.3.2. Đặc điểm Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ. Có tốc độ nung lớn, năng suất cao do nhiệt năng tập trung ở nhiệt độ cao. Nung đều và chính xác nhờ việc dễ điều chỉnh và khống chế độ điện và nhiệt độ. Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ. Có khả năng cơ khí hóa, tự động hóa cao. Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói, ít tiếng ồn. 1.3.3. Nguyên lý làm việc Theo định luật Jun - Lenxơ, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng. Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó: (1.10) Trong đó: Q: Nhiệt độ tỏa ra trên dây dẫn (J) R: Điện trở của dây dẫn (Ω) I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn (A) t: Thời gian dòng điện chạy qua (s) 1.3.4. Phân loại lò điện trở Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm: Lò điện trở trực tiếp: Là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Loại lò này ít dùng vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản (tiết diện hình chữ nhật, vuông, tròn..) Lò điện trở tác dụng gián tiếp: Là lò điện trở mà nhiệt được tỏa ra ở dây điện trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. Loại lò này thường gặp trong thực tế công nghiệp. Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại: Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 60 độ C Lò có nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 60 độ C ÷120 độ C. Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 120 độ C. 1.3.5. Cấu tạo lò điện trở Cấu tạo lò điện trở: Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung. Vỏ lò: Là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín hoàn toàn hay tương đối của lò. Khung vỏ lò cần cứng, vững chắc đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò. Vỏ lò có 2 dạng cơ bản: Vỏ lò chữ nhật: Dùng trong các lò giếng, lò liên tục, lò đáy bước và lò đáy rung. Vỏ lò tròn: Dùng trong các lò giếng, lò chụp. Vỏ lò tròn chịu được tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi cùng một lượng kim loại làm vỏ lò. Khi làm vỏ tròn người ta thường chọn dây đốt tương ứng của tấm thép so với đường kính vỏ lò như sau: Bảng 1. 1. Số liệu chọn dây đốt để làm vỏ lò Lớp lót: Thường gồm 2 phần chính: Vật liệu chịu lửa và cách nhiệt: Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta làm bằng các loại bột chịu lửa gọi là khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò hay ở ngoài nhờ các khuân. Phần vật liệu chịu lửa phải đạt các yêu cầu sau: Chịu được nhiệt độ cực đại của lò. Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong các điều kiện làm việc. Đảm bảo khả năng gắn dây nung bề mặt và chắc chắn. Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác động khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung. Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng trong lò làm việc có chu kỳ. Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là làm giảm tổn thất nhiệt. Các yêu cầu cơ bản đối với phần cách nhiệt là: Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu. Khả năng tích nhiệt cực tiểu. Ổn định về tính chất vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Dây nung: Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, thường được đặt trong buồng lò hoặc buồng phát nhiệt, chúng làm việc ở nhiệt độ cao, vì vậy vật liệu làm dây nung cần có yêu cầu sau: Khả năng chịu nóng tốt, không bị ôxi hóa trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao. Có độ bền nóng cao, bền cơ học tốt. Có điện trở suất lớn. Có hệ số nhiệt điện trở nhỏ. Các kích thước phải ổn định. Các tính chất điện phải cố định. Để gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim cần ép khuôn được chia dây nung làm 2 loại: + Dây nung kim loại: được chế tạo bằng các hợp kim Cr - Al; Cr - Ni và các hợp kim có điện trở lớn. +Dây nung phi kim loại: Dùng phổ biến là SiC, graphit, than. 1.3.6. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ là mối quan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển. Để thực hiện việc này thì công việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển. Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượng điều khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham số điều khiển. Mô hình hóa giúp cho chúng ta: Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành. Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống. Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển. Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển. Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế. Mô phỏng trên máy tính: Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có 2 phương pháp: + Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý của đối tượng và các tham số của đối tượng. + Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng. Cả hai phương pháp này đều có những ưu, nhược điểm, các bước tiến hành, phạm vi áp dụng khác nhau. Phương pháp lý thuyết thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo quy luật hóa - lý, qui luật cân bằng... dưới dạng các phương trình toán học. Phương pháp thực nghiệm dùng các đáp ứng quá độ để nhận dạng, hoặc ta có thể sử dụng phần mềm Matlab từ bộ số liệu thực nghiệm ta có thể xác định được mô hình toán học của hệ thống. 1.3.7. Các phương pháp nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ và phổ tín hiệu Tín hiệu vào chủ động là hàm u(t) hoặc dãy các giá trị ảnh Fourier của hàm trọng lượng g(t) trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra (nhận dạng bị động). 1.3.8. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ Rất nhiều đối tượng thực tế có dáp ứng quá độ nhanh, tắt dần hình chữ S. Để đơn giản trong việc tính toán, người ta thường xấp xỉ đối tượng dạng này để đưa về đối tượng quán tính bậc 1 có khâu trễ. Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt dạng: (1.11) k: là hệ số khuếch đại tĩnh. τ : hằng số thời gian. θ: thời gian trễ xấp xỉ 1.3.9. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc hai có trễ Mô hình quán tính bậc 2 có trễ tuy tính toán phức tạp hơn nhưng lại mô tả chính xác hơn động học của các đối tượng có đặc tính quá độ hình chữ S. Mô hình truyền đạt có thể viết dưới dạng: (1.12) Hoặc (1.13) Phương pháp kẻ tiếp tuyến và 2 điểm quy chiếu: Phương pháp này cũng tương tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập. Hằng số thời gian trễ θ được xác định bằng giao điểm giữa trục thời gian và tiếp tuyến tại điểm uốn. Các tham số;được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33% và 67%) sau đó giải phương trình phi tuyến: với i = 1,2; (1.14) và Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình dao động bậc 2. Trong trường hợp đặc tính quá độ của đối tượng có dạn dao động thì cần sử dụng mô hình dao động: với hệ số tắt dần 0< ζ<1 (1.15) Hệ số khuyếch đại tính k được xác định bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ thị ở trạng thái xác lập. Các tham số còn lại có thể được xác định thông qua một số phương pháp như phương pháp 2 điểm cực trị hoặc phương pháp 3 điểm quy chiếu. Phương pháp 2 điểm cực trị, khi dao động kéo dài, có thể xác định được một cách rõ ràng vị trí các điểm cực trị. Ta xác định các tham số theo công thức: Trong trường hợp tm và tp lần lượt là các thời điểm của các điểm cực trị thứ 1 và thứ 2 trong đặc tính quá độ. Phương pháp 3 điểm quy chiếu, chỉ thấy rõ điểm cực trị thứ 1, vì thế cần có thêm 2 điểm quy chiếu khác. ; ; (1.16) (1.17) Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân. - Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận dạng thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng bằng cách: - Sử dụng tín hiệu kích thích là tín hiệu xung Kronecker thay cho tín hiệu bậc thang bởi vì đáp ứng dạng xung của khâu quán tính - tích phân tương đương với đáp ứng bậc thang của khâu quán tính tương ứng nếu diện tích của xung được chọn có giá trị bằng biên độ của tín hiệu bậc thang. - Có thể sử dụng tín hiệu ra kích thích bậc thang, nhưng tính toán theo đạo hàm, lúc này xấp xỉ bằng sai phân (y(t)-y(t-T))/T nhưng mà có nhược điểm là có thể đưa đối tượng vượt ra khỏi dải làm việc cho phép. 1.4. Mô hình toán học của lò nhiệt Mô hình lò nhiệt Hình 1. 11. Mô hình lò điện trở Hình 1. 12. Đặc tính của lò nhiêt a. Đặc tính chính xác của lò nhiệt b. Đặc tính gần đúng của lò nhiệt Hàm truyền được xác định gần đúng theo: (1.18) Tín hiệu vào của hệ thống lò nhiệt ở dạng hàm nấc đơn vị(công suất trên điện trở 100%) Tín hiệu ra của hệ thống gần đúng: Trong đó: Từ đây: Áp dụng tính chất trễ của hàm laplace (1.19) Hàm truyền của hệ thống lò sấy dưới dạng hàm truyền dưới dạng hàm truyền của đối tượng có trễ: (1.20) 1.5. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh 1.5.1.Cấu trúc chung của một hệ điều chỉnh tự động - Hệ thống tự động là một hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu: + Thiết bị điều chỉnh. + Đối tượng điều chỉnh. + Thiết bị đo lường. Đó là một hệ thống có phản hồi hay còn gọi là hệ thống có liên hệ ngược. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh tự động được giới thiệu trên hình như sau: Hình 1. 13. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh tự động Các tín hiệu tác động trong hệ thống: x(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống. Còn gọi là giá trị đặt. y(t): Tín hiệu ra của hệ thống. Còn gọi là lượng được điều chỉnh. u(t): Tín hiệu điều chỉnh tác động lên đối tượng. e(t): Sai lệch điều chỉnh. z(t): tín hiệu phản hồi. fn(t): tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng. Thiết bị điều khiển là một bộ phần vô cùng quan trọng nó tạo ra tín hiệu điều khiển u(t), tác động vào đối tượng điều khiển. Với mong muốn điều khiển được lượng ra của đối tượng y(t) thoả mãn yêu cầu, đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật. Từ hình vẽ 3.1 ta thấy đầu vào của bộ điều khiển là tín hiệu sai lệch điều khiển e(t) = x(t)-z(t), đầu ra của bộ điều khiển là u(t)=f[e(t)], ở bộ điều khiển đơn giản thì có một đầu vào và một đầu ra, trong trường hợp phức tạp bộ điều khiển có nhiều đầu vào, ra. Bộ điểu khiển có nhiệm vụ duy trì sự ổn định cho hệ thống nghĩa là nó điều chỉnh quá trình của hệ thống quanh một giá trị xác lập. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều chỉnh tự động - Một hệ thống điều khiển tự động được gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ thống tắt dần theo thời gian. Để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống ổn định đó theo thời gian người ta sử dụng đặc tính quá độ. Như vậy đặc tính quá độ mô tả quá trình quá độ của hệ thống. Ví dụ đặc tính quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian: Hình 1. 14. Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian Để đánh giá và so sánh các hệ điều khiển tự động với nhau ngoài chỉ tiêu ổn định người ta còn đưa ra các chỉ tiêu khác. Có 3 loại chỉ tiêu chất lượng cơ bản: Chỉ tiêu chất lượng tĩnh: Chất lượng tĩnh của hệ thống được đánh giá bằng sai lệch dư của quá trình điều khiển. Nó là trị số sai lệch còn tồn tại khi quá trình quá độ kết thúc và được xác định theo công thức: Chỉ tiêu quá độ: Chất lượng của hệ thống được đánh giá bằng ba chỉ tiêu sau Thời gian quá độ: là thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động hệ thống cho đến khi đặc tính quá độ của hệ thống đi vào nằm trong vùng giới hạn cho phép. Số lần giao động n: Là số lần dao động của đặc tính quá độ xung quanh giá trị Quá độ điều chỉnh: Nó đặc trưng cho tính dao động của quá trình điều chỉnh. Là hệ số giữa biên độ cực đại của đặc tính quá độ với giá trị xác lập . Phân tích các luật điều chỉnh Luật điều chỉnh tỷ lệ (P) Tín hiệu điều khiển trong quy luật (P) được xác định theo công thức: U(t) = Kp.e(t) (1.21) Trong đó Kp được gọi là hệ số khuếch đại. Theo tính chất của khâu khuếch đại ta thấy tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào. Điều này nói lên ưu điểm của khâu tỷ lệ là tốc độ tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với tất cả các đối tượng. Tuy nhiên quy luật tỷ lệ cũng có một nhược điểm cơ bản là khi sử dụng với các đối tượng tĩnh hệ thống điều chỉnh luôn luôn tồn tại sai lệch tĩnh và không thể sử dụng trong hệ thống điều chỉnh theo chương trình. Để giảm giá trị sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuếch đại, nhưng khi tăng hệ số khuếch đại tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và có thể đưa hệ thống tới mất ổn định. Trong công nghiệp quy định tỷ lệ thường được sử dụng đối với những công nghệ cho phép có sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh quy luật tỷ lệ thường được xác định theo công thức: (1.22) Trong đó U0 là điểm làm việc của hệ thống, tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị này khi xuất hiện tín hiệu sai lệch. Luật điều chỉnh tích phân (I) Trong quy luật tích phân tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: (1.23) Trong đó: gọi là hằng số thời gian tích phân. Từ công thức (1.5) ta thấy giá trị. U(t) chỉ đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e(t)=0. Như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu được sai lệch tĩnh Luật điều chỉnh tỷ lệ - tích phân (PI) Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệc tĩnh người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo nên quy luật tỷ lệ tích phân. Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: (1.24) Trong đó: Kp: hệ số khuếch đại. Ti: hằng số thời gian tích phân. Trong thực tế khi sử dụng bộ điều khiển PI thì việc chọn thông số điều khiển Kp, Ti để phù hợp với đối tượng điều khiển nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là một vấn đề vô cùng quan trọng. Rất nhiều các tiêu chuẩn để tính chọn các thông số của bộ điều khiển để có một đáp ứng đầu ra phù hợp với yêu cầu công nghệ. Về tính chất của luật điều khiển tỷ lệ thì có đáp ứng lớn nhưng sai số tĩnh lớn. Khi tăng hệ số Kp cao thì đạt được sai số tĩnh nhỏ xong quá trình quá độ lại dao động, chất lượng của quá trình quá độ sẽ xấu đi và khi hệ số Kp quá lớn thì đáp ứng đầu ra của hệ thống kín sẽ mất ổn định. Khi ta đặt một giá trị Kp tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ lúc này chỉ phụ thuộc vào thời gian tích phân. Khi thời gian tích phân Ti lớn có nghĩa là tín hiệu u(t) có giá trị rất nhỏ. Sự ảnh hưởng của thành phần tích phân đến đáp ứng qúa độ rất ít nên lúc này bộ điều khiển PI hoạt động như bộ điều khiển tỷ lệ. Nghĩa là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn cao so với yêu cầu điều khiển. Khi thời gian Ti giảm nhỏ thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng quá độ vẫn chưa có dao động nhưng sai số xác lập bằng không. Luật điều chỉnh tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID). Mặc dù điều khiển tỷ lệ - tích phân - đã đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu chất lượng trong nhiều trường hợp, nhưng còn những nhược điểm mà chúng ta đã phân tích ở trên. Để thỏa mãn yêu cầu chất lượng điều khiển người ta sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân gọi tắt là PID. Bộ PID được áp dụng rộng rãi vì nó có hàm trễ lớn, mang ưu điểm của các bộ P, PI, PD. Hàm truyền đạt có dạng như sau: (1.25) Trong hoạt động của bộ PID, hiệu quả của tác động điều khiển tích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỷ lệ, đặc biệt sự truyền tăng theo tỷ lệ của nhiễu lớn bằng cách hiệu chỉnh liên tục hoặc lặp lại đầu vào bộ điều khiển, vì lý do đó đôi khi người ta gọi nó là tác động lặp lại. Tốc độ mà tác động đó “lặp lại” nhân đôi hoặc tác động tỷ lệ một lần nữa được xác định bằng tốc độ lặp lại Ti. Như đã biết, tác động điều khiển vi phân có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số và do đó làm giảm khuynh hướng dao động. Vì tác động vi phân đáp ứng với tốc độ thay đổi của đầu ra nên gọi là tác động tốc độ. Khoảng thời gian Td gọi là độ suất hoặc thời gian sớm. Còn hệ số khuyếch đại Kd là khoảng thời gian Td mà trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỷ lệ sớm hơn. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID được giới thiệu trên hình sau: Hình 1. 15. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID Trong thực tế bộ PID có thể tạo được bằng cách mắc nối tiếp hai bộ PI và PD có cấu trúc như sau: (1.26) Đồng thời người ta sử dụng rộng rãi các bộ PID thực mà hàm truyền có dạng: (1.27) Trong trường hợp đặc tính tần số PID là đặc tính tiệm cận thì hàm truyền của bộ điều khiển có dạng: (1.28) Tương tự bộ điều khiển PID số có hàm truyền gián đoạn: (1.29) Phương trình sai phân có dạng: (1.30) Ngoài ra để chống nhiễu tốt người ta còn dùng bộ PID có bộ lọc mà hàm truyền có dạng: (1.31) Trong đó N là giá trị cho trước (500 đến 1000) Tác động của việc tăng một thông số độc lập. Bảng 1. 2. Sự thay đổi thông số độc lập Phần mềm mô phỏng MATLAB Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kĩ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty “The MATHWORKS” viết ra. MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – còn gọi là Script file. CÁc lệnh và tập lệnh của MATLAB lên đến hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các thư viện trợ giúp hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB chuyên dùng để mô phỏng các hệ thống tự động, các hệ thống trang bị điện điện tử MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn, người dùng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các “mfiles” được viết dưới các ứng dụng cụ thể. Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn. Hình 1. 16. Cửa sổ làm việc phần mềm MATLAB Màn hình chính của phần mềm MATLAB nơi thực hiện các thao tác nhập số liệu, các công thức tính toán, xác định hàm truyền, khảo sát đối tượng nghiên cứu cũng như vẽ các đồ thị của đối tượng qua đó đánh giá hệ thống một cách tổng quát. Có rất nhiều công cụ hỗ trợ trên phần mềm MATLAB cho người sử dụng, trong đó Simulink là công cụ sử dụng nhiều nhất với các thư viện, các sơ đồ khối cho phép người sử dụng đơn giản hóa các phương trình tính toán, các mối quan hệ của đối tượng và xây dựng sơ đồ khối qua đó thể hiện các mối quan hệ giữa các đại lượng của đối tượng cần khảo sát. Simulink là một công cụ dùng để phân tích, mô hình và mô phỏng các hệ thống động học với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. việc xây dựng mô hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột kéo và thả. Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến. Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích và đánh giá, vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường trong việc phân tích, khảo sát và đánh giá đối tượng cần nghiên cứu. Hình 1. 17. Cửa sổ thư viện Simulink của MATLAB Trên dao diện Simulink có các thư viện, các sơ đồ khối để thực hiện gép nối theo yêu cầu của người sử dụng. đặc biệt với sự hỗ trợ của phần help giúp cho quá trình làm việc đơn giản và dễ dàng hơn cho người sử dụng. Hình 1. 18. Cửa sổ giao diện làm việc trên Simulink Trên cửa sổ dao diện làm việc trên Simulink, nơi thực hiện các thao tác ghép nối sơ đồ của đối tượng cần khảo sát và đồ thị kết quả thực hiện của đối tượng trong khoảng thời gian khảo sát. Tùy vào các đặc tính, tính chất của đối tượng và phương pháp điều khiển để ta thực hiện lựa chọn các khối phù hợp. Trên Simulink tích hợp khối điều khiển PID, điều khiển mờ Puzzy nhằm giúp việc khảo sát điều khiển đối tượng một cách tốt nhất, qua đó giúp người sử dụng đánh giá một cách tổng quan và lựa chọn phương pháp tối ưu nhất cho đôi tượng nghiên cứu. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM 2.1. Thiết kế hệ điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Sơ đồ khối của hệ thống: Một hệ thống điều chỉnh tự động được xây dựng từ ba bộ phận chính: Thiết bị điều chỉnh C(control) Đối tượng điều chỉnh O(Obiect) Thiết bị đo lường M(Measurement) Đó là hệ thống có hồi tiếp. Sơ đồ khối về hệ thống điều chỉnh tự động được vẽ như hình sau: Hình 2. 1. Sơ đồ khối của hệ thống Các tín hiệu tác động lên hệ thống: u: tín hiệu vào y: tín hiệu ra x: tín hiệu điều chỉnh tác động C: sai lệch điều chỉnh x: tín hiệu hồi tiếp. Thiết kế sơ bộ về hệ thống sấy Hình 2. 2. Hệ thống sấy Kích thước buồng sấy: Chiều dài: 4m, chiều rộng: 3m, chiều cao: 1.5 Động cơ gồm: màn hình hiển thị nhiệt độ, hệ thống điều khiển, quạt gió thiết bị gia nhiệt. Cảm biến đo nhiệt độ 2.2. Tính toán 2.2.1 Mô hình lò nhiệt: Hình 2. 3. Mô hình lò nhiệt 2.2.2. Hàm truyền lò nhiệt Quá trình truyền nhiệt trong hệ thống lò nung được mô tả bằng phương trình vi phân đạo làm riêng. Để điều khiển nhiệt độ lò sấy ta phải tuyến tính hóa phương trình đạo hàm riêng và đưa phương trình động học của lò sấy về dưới dạng phương trình vi phân thương. Mối quan hệ giữa công suất cung cấp cho lò ω(t) và nhiệt độ của lò θ(t) được biểu diễn như sau: (2.1) Trong đó, T là hằng số thời gian, k là hệ số truyền. Từ đó hàm truyền của lò nung sẽ có dạng: (2.2) Với giả thiết ω(t)=1(t), sự thay đổi θ(t) trong lò theo thời gian hay còn gọi là quá trình quá độ trong lò có dạng như đường cong I. Hình 2. 4. Đặc tính của lò nhiệt Theo Ziegler-Nichols có thể biểu diễn hàm truyền của hệ thống lò nung dưới dạng hàm truyền của đối tượng có trễ: (2.3) Trong đó: là thời gian trễ, là hằng số thời gian của lò nhiệt. Các hằng số thời gian được xác định bằng đồ thị (đường gấp khúc II, hình a ). Khai triển thành chuổi taylor: (2.4) Bỏ qua các số hạng dư bậc cao ta có hàm truyền của lò nhiệt viết dưới dạng: (2.5) 2.2 .3. Thiết kế bộ điều chỉnh PID số theo phương pháp Ziegler-Nichols Sơ đồ cấu trúc bộ PID: Hình 2. 5. Sơ đồ cấu trúc bộ PID Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID Phương pháp Ziegler - Nichols thứ nhất Phương pháp này thường áp dụng cho đối tượng có quán tính lớn như lò nhiệt được mô tả bằng hàm truyền đạt: (2.6) Với các k, , được xác định bằng phương pháp thực nghiệm PID của Ziegler-Nichols có dạng: (2.7) Trong đó C- ứng với hệ số truyền(hệ số khuếch đại), và là hằng số tích phân và hằng số vi phân tương ứng, với ; ; Hiệu chỉnh PI của Ziegler-Nichols là: Với (2.10) Hiểu chỉnh khuếch đại tỷ lệ P: D(s)=C Với , kí hiệu ; ; . Đối vơi hệ liên tục hiệu chỉnh PID có hàm truyền dạng tổng quát là: (2.11) Chuyển sang miền rời rạc sử dụng biến đổi Z đối với khâu vi phân: (2.12) Hàm truyền của khâu vi phân (2.13) Phương trình vi phân được chuyển sang phương trình sai phân dạng: (2.13) Hình 2. 6. Biểu diễn miền lấy tích phân Như vậy sẽ có ba phương pháp tính tích phân: Cách 1: Tích phân theo hình thang ABCD Cách 2: Tích phân theo hình chữ nhật lùi về phía sau ABFD Cách 3: Tích phân theo hình chữ nhật tiến về phía trước AECD. Theo cách 1 ta có: (2.14) (2.15) Và (2.16) Theo cách 2 ta có: (2.17) Và (2.18) Theo cách 3ta có: (2.19) Và (2.20) Theo cách 1 hàm truyền của PID theo z sẽ là : (2.21) ở đây ta kí hiệu tín hiệu vào là f(t), tín hiệu ra là u(t), gọi độ lệch biến của hệ thống là e(t) thì đối với bộ điều khiển PID ở đây là tín hiệu điều khiển có dạng: (2.22) Đồng thời ta cũng có: Từ các biểu thức ta có: (2.23) Từ các kết quả thu được trên ta thấy: tín hiệu điều khiển u có thể xác định được tại mọi thời điểm nếu ta biết được giá trị tham số của bộ điều chỉnh các tham số . Mặt khác nhờ phương pháp này ta xác định được các hệ số này. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Phương pháp thực nghiệm này có đặc điểm không sử dụng mô hình toán học của đối tượng, ngay cả mô hình xấp xỉ. Mô hình: Hình 2. 7. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Hình 2. 8. Xác định hệ số khuếch đại Thay bộ PID bằng bộ khuếch đại tăng k lên thì hệ kín ở biên giới ổn định. Xác định tham số bộ điều khiển như sau: Nếu chọn bộ P thì: Nếu chọn bộ PI thì: với Nếu dùng bộ PID thì: (2.24) Với - Nhược điểm của phương pháp này là chỉ cáp dụng cho đối tượng có được chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại trong hệ kín. 2.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển Từ mô hình tính toán ta có hàm truyền xác định bằng biểu thức: (2.25) Biểu diễn hàm truyền của đối tượng ở dạng: (2.26) Mô phỏng đối tượng: Hình 2. 9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ của lò nhiệt Đáp ứng của đối tượng: Hình 2. 10. Quá trình quá độ trong lò nhiệt Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hệ thống lò nhiệt dùng PID Hình 2. 11. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt dùng PID Khảo sát trên phần mềm Matlab Simulink với các giá trị ban đầu khác nhau như sau: Trường hợp 1: Cho các tham số để khảo sát quá trình nhiệt trong lò: k=50 (nhiệt độ xác lập (50 độ C)/phần trăm công suất(100%)); . Ta có các tham số của bộ điều khiển PID như sau: ð ð Thay các giá trị vừa tìm vào: Ta được: Kết quả mô phỏng được thể hiện: Hình 2. 12. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 13. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 14. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Trường hợp 2: Cho các tham số để khảo sát quá trình nhiệt trong lò: k=60 (nhiệt độ xác lập (60 độ C)/phần trăm công suất(100%)); . Ta có các tham số của bộ điều khiển PID như sau: ð ð Thay các giá trị vừa tìm vào: Ta được: Hình 2. 15. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 16. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt sau khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 17. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ Trường hợp 3: Cho các tham số để khảo sát quá trình nhiệt trong lò: k=70 (nhiệt độ xác lập (60 độ C)/phần trăm công suất(100%)); . Ta có các tham số của bộ điều khiển PID như sau: ð ð Thay các giá trị vừa tìm vào: Ta được: Hình 2. 18. Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt khi dùng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 19 Kết quả mô phỏng Matlab ứng với giá trị đặt sau khi hiệu chỉnh PID trong hệ thống điều chỉnh lò nhiệt Hình 2. 20. Bộ thông số PID sau khi hiệu chỉnh đối với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Nhận xét: Từ ba trường hợp đã xét ở trên và kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều khiển giúp hệ thống làm việc ổn định, độ vọt lố giảm, thời gian đáp ứng nhanh, hệ thống làm việc êm, độ quá điều chỉnh thấp, chất lượng hệ thống tốt, bộ điều khiển PID với từng kênh có bộ tham số thích hợp đáp ứng yêu cầu về tính điều khiển của từng kênh qua đó giúp hệ thống làm việc ổn định hơn và đạt chất lượng cao hơn. KẾT LUẬN Trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp, đề tài của em đã hoàn thành được những vấn đề sau: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm và các vấn đề liên quan đến thực tiễn. Qua đây nắm được về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết điều khiển tuyến tính và nhất là áp dụng cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính để giải quyết vấn đề xây dựng và khảo sát hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm, qua đó bổ sung và củng cố những kiến thức cần thiết cho bản thân. Đã có thể tự lập và xây dựng được hướng giải quyết của đề tài nắm rõ được cách xây dựng đối tượng trên phần mềm Matlab để khảo sát đánh giá và thiết kế hệ thống. Qua việc đi sâu vào phần mềm mô phỏng Matlab ta thấy được sự đa năng cũng như khả năng ứng dụng của nó là rất lớn và rộng rãi trong thực tiễn. Em đã được trang bị tốt hơn sự hiểu biết của bản thân về các công cụ điều khiển và ứng dụng rất lớn của bộ điều khiển PID trong thực tế. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài sử dụng công cụ là lý thuyết điều khiển tuyến tính để đánh giá,khảo sát, tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt qua đó đóng góp vào cơ sở để xây dựng một mô hình thực tế về hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ là nhiệt nhằm phục vụ trong việc nghiên cứu cũng như việc sản xuất. Tuy vấn đề này không mới nhưng phần nào đó giúp ích cho việc nghiên cứu về hệ thống nhiều chiều một cách đơn giản nhất, qua đó giúp việc đánh giá hệ thống nhiều chiều bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính một cách hiệu quả hơn. Để đánh giá về kết quả thì bản thân em cảm thấy không đạt được như sự mong đợi. Trong quá trình thực hiện do không bao quát được tối đa vấn đề nên kết quả thu được chưa được như mong muốn tốt nhất. Tuy các kết quả thu được chỉ mang tính chất tương đối nhưng phần nào đã đáp ứng yêu cầu điều khiển được đặt ra. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Hoa Lư và các quý thầy cô cũng như toàn thể các bạn sinh viên Viện Kỹ thuật – Công nghệ đã tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều để em hoàn thành bản Đồ án tốt nghiệp này. Trong quá trình thực hiện nếu có sai sót mong quý thầy cô đóng góp và góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư (chủ biên), Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất bản đại học Vinh, 2017 [2] Nguyễn Hoa Lư, Giáo trình cơ sở tự động, Nhà xuất bản Đại học Vinh,2004; [3] Nguyễn Quang Hùng, Lê Quốc Bình, Hệ thống điều khiển nhiệt lò điện trở sử dụng bộ điều khiển, Hà Nội, 2000 [4] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,2006; [5] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật,2006; [6] Matlab – Simulink 2013a, MathWorks; [7] Các tài liệu trên Internet và sự tham khảo trên các diễn đàn về công nghệ